耦合自主水下航行器的路径跟随模型预测控制

由于环境扰动下的耦合运动，自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）在跟随预定航点时面临挑战。为解决此问题，本工作基于视线（line-of-sight, LOS）制导方法开发了一种三维路径跟随制导与控制系统。传统上，三维路径跟随问题被转化为航向和深度控制问题，并假设航行器的运动在水平和深度坐标上是解耦的。所提出的控制系统设计通过将问题转化为三维位置和姿态跟踪问题，避免了这一简化假设。该设计通过基于期望航向计算二维水平坐标，随后计算相应的 LOS 深度坐标来实现。然后，利用三维 LOS 坐标和计算出的姿态向量实现模型预测控制器（Model Predictive Controller, MPC）。该 MPC 通过求解考虑未知海洋扰动影响的极小极大优化问题，获得鲁棒控制。通过原型 AUV 系统的仿真，证明了所提出的制导与控制系统的有效性。数值结果表明，AUV 能够在存在时变扰动的情况下跟随预定航点，并且系统以与用于实现制导系统的接受圆半径成正比的恒定前进速度进行操控。